上海地区白频谱应用原则研究报告

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  • 文章作者:中国新闻技术工作者联合会 2021/12/30-04:43 阅读: loading...

    孙贤君 夏一晨 姜 俊

    (上海东方明珠传输有限公司)

    摘 要:本文对认知无线电关键技术——频谱感知技术进行了研究和比较,尝试利用能量感知和循环平稳特征检测相结合进行频谱感知,结合认知数据库针对上海地区实际情况设计针对性算法,找到适合在上海地区进行白频谱应用的方法,为后续研究提供数据和思路。关键词:认知无线电 频谱感知策略 频谱分配管理策略 白频谱应用

    1 上海地区白频谱应用可行性分析

    1.1 广播电视白频谱广播电视白频谱通常指三种未被使用的广播电视频段:未投入使用的频段、发射台停播时的频段以及由于保护率要求而空闲的频段。在我国,广播电视台站为了避免互相之间产生干扰,当某个广播电视频道被授权使用时,与其相邻的广播电视台站不得使用该频道,如图一所示。

    图一 由于保护率要求而空闲的频段

    广播电视UHF波段(470MHz—798MHz)具有电波传输衰减小、穿透力强的优势,适合开展各种无线通信业务。目前我国对UHF波段的频谱利用率并不高,且我国正处于模转数的进程之中。一旦模转数完成、业务整合后,还将空出大量的白频谱资源可供利用。1.2 上海地区广播电视UHF波段白频谱挖掘1.2.1 数据采集方案上海地区主要UHF波段广播电视频率集中在浦东新区的东方明珠广播电视塔,其他频率分布在各个郊县。为了全面地采集数据,项目组在上海市选取了数个数据采集点。数据采集要求24小时自动侦测UHF波段内的广播电视所有频道并实现快速轮巡,自动记录实时测得的通带功率大小。每个数据采集点选取东南西北四个方向进行数据采集,每个方向的数据采集周期为三天,数据采集使用10dB增益的定向八木天线。考虑到不同天线高度对数据采集的影响很大,在数据采集点中特别选取了东方明珠广播电视塔(接收天线高度285米)、虹桥广播大厦(接收天线高度150米)和题桥发射台(接收天线高度10米)作为重点数据采集点,数据采集周期为一周,如图二所示。

    图二 三个重要数据采集点

    1.2.2 数据采集平台数据采集平台主要由频谱仪、笔记本电脑、八木定向天线、数字机顶盒、模拟电视机、射频分配器、GPS等设备组成,结构图如图三所示。八木定向天线接收信号,通过射频分配器将信号分成两路。一路信号送到频谱仪,另一路信号再使用射频分配器分成两路,分别送到数字机顶盒和模拟电视机。GPS为频谱仪提供时间信息,笔记本电脑通过串口数据线与频谱仪相连,控制频谱仪测量并采集数据。

    图三 数据采集平台结构示意

    该平台能实现24小时不间断测量信号并记录通带功率和测量时间,能够快速进行轮巡,扫描一遍UHF电视广播频段(DS13—DS48)耗时180秒。1.3 结论对数据进行分析和汇总后可以看出:在接收天线海拔高度最高(285米)的东方明珠塔数据采集点,采集到的数据除了上海本地主要和次要频率外还包括了上海周边长三角地区的一些频率;在接收天线海拔高度150米的虹桥广播大厦数据采集点,采集到的数据以上海本地主要频率为主;在接收天线为10米的题桥发射台数据采集点,采集到的数据只有上海本地主要频率,其它频率都淹没在噪声中。由此可得出以下结论:上海地区存在白频谱资源,天线海拔高度越低,可供利用的白频谱资源越多。该结论也符合上海地形平坦但高楼林立、人口密集度高的地理特征,建议上海地区白频谱应用偏向于多基站、低功率覆盖的方向。

    2 有关认知无线电频谱感知技术的研究与比较

    2.1 频谱感知技术的综合比较匹配滤波器检测法性能最优,它能使白频谱终端获得最佳输出增益。但匹配滤波器检测法需要知道授权信号的先验信息,在实际工程应用中具有很大的局限性。能量检测法实现最为简单,在实际工程应用中使用最为广泛。但能量检测法往往受到信噪比的影响,在低信噪比的条件下检测成功率不高。循环平稳特征检测法不受信噪比的影响,在低信噪比的情况下也具有较高的检测概率。但循环平稳特征检测法计算复杂度高,需要的检测时间较长。本振泄露功率检测和干扰温度检测是基于接收机的检测,不在考虑范围之内。

    表一 频谱感知技术比较

    检测算法优点缺点
    匹配滤波器检测性能最优。针对不同信号需要不同滤波器。需要先验信息和同步信息。
    能量检测实现简单,检测时间短。在低信噪比情况下性能较差。
    循环平稳特征检测不受信噪比影响。算法复杂度高,检测时间最长。
    2.2 能量——循环平稳特征感知的感知策略为兼顾检测精度和检测耗时,将能量检测和循环平稳特征检测相结合,采用能量——循环平稳特征感知的二次检测法:频谱感知开始时先进行能量检测并设置高、低两个门限。当检测到的能量值高于最高门限时判决频谱已被占用;当检测到的能量值低于最低门限时判决频谱空闲可以使用;当检测到的能量值介于最高最低门限之间时启动循环平稳特征检测。感知策略流程如下图所示。

    图四 感知策略流程

    3 认知数据库相关研究

    认知数据库是认知无线电系统中除了频谱感知技术的另一种频谱获取方法,它为检测和保护授权用户提供了一种实用性的解决方法。认知用户在进行白频谱接入之前先与认知数据库联系,向认知数据库上传自身的地理位置信息、调制模式、功率等级、覆盖范围等信息。认知数据库经过自身策略的判断后向认知用户下发可用的频率列表以及允许的发射功率。可以看出,引入认知数据库后有助于提高频谱感知的成功率。认知数据库根据认知用户上传的地理位置信息来计算该位置上的可用信道列表,在认知数据库上需要存储授权用户的信息,包括:发射站点地理位置信息、发射站点有效覆盖半径、发射站点调制模式、发射的频道列表等。我们将认知数据库的服务区域划分为无数个网格,可以根据具体的需求来制定网格的大小,如100米*100米为一格。认知数据库对应每一个网格存储一张可用信道列表,当认知用户接入认知数据库时,根据上传的地理位置信息和覆盖范围等信息下发可用信道列表和功率控制信息。

    4 上海地区白频谱应用原则

    上海地区白频谱应用使用认知数据库技术来辅助频谱感知,对白频谱终端的发射功率、天线高度做出了限定,最大限度地保护授权用户不受认知用户的有害干扰。1现任的广播电视频段使用者(广播电视运营商、公共安全使用者等)拥有最高使用权限。2指定白频谱终端设备采用数字国标的调制方式。通讯协议根据需求可以采用多种传输技术,如GPRS、wifi、wlan、微波等。3白频谱终端必须具备获取“白频谱”频段使用数据库的能力,以得到获得授权的广播电视的使用情况。4白频谱终端必须使用基于位置服务信息的技术得到自身的地理位置和海拔高度,并且对于地理位置的估计误差不得超过50m。5白频谱终端通过与“白频谱”频段使用数据库连接来得到可用的频道列表,以此为依据进行频谱感知。“白频谱”频段使用数据库根据白频谱终端上报的地理位置信息及频谱分配管理策略得到该地理位置上可用的频道列表下发给白频谱终端。频谱分配管理策略如下所示。a 根据地理位置信息判断授权用户和其他已处于通信状态的白频谱终端是否存在并以此为依据建立可用频道列表。分配可用频道列表时根据优先级进行判断,优先级主要分为五级。b 主要授权用户的工作频道具有最低优先级,即使该频道处于闲置状态,在有高优先级频道可用的情况下也不进行分配。若找不到高优先级频道必须分配时,则根据主要授权用户频道播出时间信息对使用频道的白频谱终端进行播出时间上的控制。c 次要授权用户的工作频道具有较低优先级,即使该频道处于闲置状态,在有高优先级频道可用的情况下也不进行分配。若找不到高优先级频道必须分配时,则根据次要授权用户频道播出时间信息对使用频道的白频谱终端进行播出时间上的控制。d 主要授权用户工作频道的左右邻频频道具有中等优先级,在有高优先级频道可用的情况下不进行分配。若找不到高优先级频道必须分配时,则对白频谱终端进行功率等级的控制以降低对邻频授权用户造成有害干扰。e 次要授权用户工作频道的左右邻频频道具有较高优先级,在有高优先级频道可用的情况下不进行分配。若找不到高优先级频道必须分配时,则对白频谱终端进行功率等级的控制以降低对邻频授权用户造成有害干扰。f 除上述频道外的空闲频道具有最高优先级。g 相邻白频谱终端不分配同频频道。h 无可用信道时拒绝白频谱终端的接入请求。i 可用频谱列表的先后顺序可以参考信道历史统计信息进行排序,以帮助白频谱终端缩短频谱感知时间。信道历史统计信息是指白频谱终端取得可用频道列表后经过频谱感知成功建立通信,对其的工作频道和建立通信的时间段进行统计和汇总后得到的信息。频谱分配管理策略流程如下所示。

    图五 频谱分配管理策略流程

    1)白频谱终端分固定式基站和便携移动设备。固定式基站的最大发射功率为30dBm(1W),天线最高增益为6dBi,因此其最大EIRP为4W,不得在高于海拔高度75m 的位置设置固定式基站。便携移动设备提供类似Wi-Fi 的覆盖,主要面向室内覆盖,由工作模式决定其最大发射功率为20dBm(100mW)或16dBm(40mW),无天线增益。RBW 设为100kHz 时测量白频谱基站对于相邻8MHz 频道的带外杂散不得超过相关邻频干扰的保护率。数字电视信号受上下邻频数字信号干扰的保护率如下表所示。

    表二 数字电视信号受上下邻频数字信号干扰保护率

    映射方式前向纠错编码效率高斯信道dB莱斯信道dB瑞利信道dB
    4QAM0.4-36-35-33
    16QAM0.4-31-30-39
    64QAM0.4-27-26-24
    4QAM0.6-33-33-31
    16QAM0.6-30-28-27
    64QAM0.6-23-23-22
    4QAM-NR0.8-36-35-33
    4QAM0.8-30-30-27
    16QAM0.8-28-27-24
    32 QAM0.8-25-24-22
    64QAM0.8-20-20-17
    模拟电视信号受上下邻频数字电视信号干扰的保护率如下表所示。

    表三 模拟电视信号受上下邻频数字电视信号干扰保护率

    上邻频欲收信号非欲收信号:地面数字电视信号
    对流层干扰连续干扰
    PAL-D-9dB-5dB
    下邻频欲收信号非欲收信号:地面数字电视信号
    对流层干扰对流层干扰
    PAL-D-8dB-5dB
    2)白频谱固定式基站使用基于二次检测和协作检测相结合的感知策略进行频谱感知,频谱感知技术必须具备非连续性频段感知能力。白频谱便携移动设备主要面向室内覆盖,使用基于二次检测感知策略的单节点频谱感知技术。3)“ 白频谱”频段使用数据库可以保留一些频道,作为紧急广播或特殊活动使用。4)白频谱终端与“白频谱”频段使用数据库之间的通讯必须是安全的,信息必须经过加密处理。5)“白频谱”频段使用数据库应至少包含以下高功率和低功率发射台站(含转播台和直放站)的数据:发射台站坐标(经纬度)、有效辐射功率(ERP)、台站海拔高度、有效覆盖区域、工作频道、发射台站代码。模拟电视信号覆盖区域根据彩色电视广播覆盖网技术规定GB-T14433-1993进行预测。dB(uv/m)式中:--归一化服务场强--发射机有效辐射功率A --地形崎岖度衰减校正值数字电视信号覆盖区域根据ITU-R P.1546 覆盖模型进行预测。6)白频谱终端覆盖范围按如下公式进行预测。室外传播,采用自由空间损耗公式计算。计算公式是:Lm=32.45+20lgf+20lgd式中:f—频率MHzd—距离室内传播,采用ITU-RP.1238-5建议书的室内无线电波传播模型。计算公式是: Lm=20lgf+Nlgd+Lf(n)-28dB式中:N——距离功率损耗系数;f——频率(MHz);d——基站和便携终端之间的距离;Lf——楼层穿透损耗因子(dB);n——基站和便携终端之间的楼层数。

    5 展望

    随着电视模转数进程的不断深化,广电UHF频段上的白频谱资源将得到进一步释放。在国内,移动通信领域的白频谱研究正在展开,让广电开放700MHz频谱资源的呼声一直存在,而广电业内对白频谱应用的研究才刚刚起步。对广电行业来说白频谱应用既是挑战也是机遇。本文通过对认知无线电技术的研究并与上海地区实际情况相结合,提出了认知数据库与二次检测相结合的频谱感知策略,建立了上海地区白频谱应用原则的雏形,希望对上海地区白频谱应用的规划和制订起到抛砖引玉的作用。 参考文献

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    编辑:中国新闻技术工作者联合会

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